光子と电子
電子イメージングの基本的な前提は、光エネルギーが視覚情報を保存する方法で電気に変換され、シーンの光学的特性を再構築できるようにすることです。 光子と電子の間のこの予測可能な相互作用は、デジタル画像をキャプチャするプロセスを開始します。 入射光子によって供給されるエネルギーが電気エネルギーに変換された後、システムはこのエネルギーを定量化し、値のシーケンス (またはマトリックス) として保存するための何らかの方法を持っている必要があります。
ほとんどの画像センサーでは、光から電気への変換はフォトダイオードによって行われます。フォトダイオードは、入射光に応答して電子と正孔のペアを生成する構造のPN接合です。
フォトダイオードは通常シリコンでできていますが、ヒ素インジウム、アンチモン化インジウム、テルル化水銀カドミウムなどの他の半導体材料もさまざまな特別な目的に使用されています。
イメージセンサ技術の重要な進歩は、ピン留め型フォトダイオードの作成でした。 上の画像では、フォトダイオードは、通常のダイオードと同様に、p型領域とn型領域で構成されています。
ピンタイプのフォトダイオードには、高度にドープされたpタイプ (略してp) 半導体で作られた追加の領域があります。図のように、他の2つの領域よりも薄いです。
この図は、イメージセンサに組み込まれたピン留めフォトダイオードの構造を示しています
1980年代に導入されたピン留めフォトダイオードは、光で生成された電荷の伝達の遅延に関連する問題 (「ヒステリシス」と呼ばれる) を解決しました。 ピンスタイルのフォトダイオードは、より高い量子効率、改善されたノイズパフォーマンス、およびより低い暗電流も提供します (このシリーズの後半でこれらの概念に戻ります)。
今日、ほとんどすべてのCCDおよびCMOSイメージセンサの感光素子はピン留めフォトダイオードです。
2つの主要なイメージング技術は、CCD (Charge Coupled Device) およびCMOSである。
分光法用のNMOSセンサー、赤外線熱画像感度を提供する小型光度計など、他のタイプのセンサーもあります。特別なアプリケーションでは、カスタムアンプ回路に接続されたフォトダイオードアレイを使用する場合があります。
それにもかかわらず、CCDとCMOSに焦点を当てます。 これら2つの一般的なセンサーカテゴリは、非常に幅広いアプリケーションと機能をカバーしています。
「どちらが良いのか」という価値判断に惹かれているようです。表面マウントやスルーホールなどの質問? BJTまたはFET? キヤノンやニコン? WindowsまたはMac (またはLinux)? これらの質問に意味のある答えがあることはめったになく、個々の機能を比較することさえ難しい場合があります。
それで、CMOSとCCDのどちらが良いですか? 従来の比較は次のようになります。CCDは、ノイズが低く、ピクセル間の均一性が優れており、優れた画質で定評があります。 CMOSセンサーは、より高いレベルの統合を提供し、回路設計者の複雑さを軽減し、消費電力を削減します。
この評価が不正確だと言っているわけではありませんが、その有用性は限られています。 多くは、センサーのニーズと要件と優先順位に依存します。
さらに、技術は急速に変化しており、デジタルイメージングの研究開発に多額の投資がCCDとCMOSのパターンを徐々に変える可能性があります。
第2に、画像センサは画像を生成しない。 これはデジタルイメージングシステムの不可欠な部分 (もちろん非常に重要な部分) であり、システムによって生成される知覚される画質はセンサーだけでなく、しかし、より多くの要因。 一部のオプトエレクトロニクス特性では、CCDがCMOSセンサーよりも優れていることは間違いありません。 しかし、CCDを全体的に高く関連付ける画質は少し不合理なようです。
CCDセンサベースのシステムは、大きな設計投資を必要とする。 CCDには、さまざまな非論理レベルの電力と制御電圧 (負の電圧を含む) が必要であり、センサーに印加する必要があるタイミングは非常に複雑になる可能性があります。 センサーによって生成される画像「データ」は、細かく増幅してサンプリングする必要があるアナログ波形であり、もちろん、信号処理またはデータ変換回路にはノイズが発生する可能性があります。
低ノイズのパフォーマンスはCCDから始まりますが、それだけでは終わりません。信号チェーン全体のノイズを最小限に抑えるように努力する必要があります。
CCDの出力波形
CMOSイメージセンサの状況はかなり異なります。 これらは、ロジックレベルの電圧源、オンチップ画像処理、およびデジタル出力データを備えた標準の集積回路のように機能します。 追加の画像ノイズにも対処する必要があるかもしれませんが、多くのアプリケーションでは、これは設計の複雑さ、開発コスト、ストレスを大幅に削減するために支払う小さな価格です。
特に高フレームレートまたは高解像度センサーを使用している場合、画像処理は一般的なマイクロコントローラタスクではありません。 ほとんどのアプリケーションは、デジタル信号プロセッサまたはFPGAの計算能力の恩恵を受けます。
特に画像をメモリに保存したり、ワイヤレスで転送したりする必要がある場合は、圧縮も考慮する必要があります。 これは、ソフトウェアまたはプログラム可能なハードウェアによって実行され得る。
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